آشنایی با اعوجاج در تقویت کننده ها
اگر مدار تقویت‌کننده به درستی طراحی نشود و نقطه کار را در مقدار اشتباهی روی خط بار تنظیم کنیم یا سیگنال ورودی بسیار بزرگی به تقویت‌کننده وارد شود، ممکن است سیگنال خروجی به خوبی از سیگنال ورودی بازتولید نشود. به عبارت دیگر، با مشکلی به نام «اعوجاج تقویت‌کننده» (Amplifier Distortion) مواجه خواهیم بود.
برای آنکه یک تقویت‌کننده سیگنال، به خوبی و بدون هرگونه اعوجاج در خروجی کار کند، باید بایاس DC پایه بیس یا گیت به درستی اعمال شود. در واقع، بایاس DC برای آن است تقویت‌کننده سیگنال ورودی را با نقطه کار مشخص (تا حد امکان نزدیک میانه خط بار) در تمام سیکل کاری تقویت کند.
برای تنظیم بایاس نقطه کار، یک پیکربندی تقویت‌کننده «کلاس A» لازم است. همانطور که می دانیم، رایج‌ترین تقویت‌کننده‌های این کلاس، «امیتر مشترک» برای ترانزیستور‌های دوقطبی و «سورس مشترک» برای مدار‌هایی با ترانزیستور‌های FET است. بهره توان، ولتاژ یا جریان تقویت‌کننده نیز، نسبت مقدار پیک خروجی به پیک ورودی است.
اگر مدار تقویت‌کننده به درستی طراحی نشود و نقطه کار را در مقدار اشتباهی روی خط بار تنظیم کنیم یا سیگنال ورودی بسیار بزرگی به تقویت‌کننده وارد شود، ممکن است سیگنال خروجی به خوبی از سیگنال ورودی بازتولید نشود. به عبارت دیگر، با مشکلی به نام «اعوجاج تقویت‌کننده» (Amplifier Distortion) مواجه خواهیم بود. شکل زیر، اعوجاج سیگنال خروجی تقویت‌کننده امیتر مشترک را نشان می‌دهد.
اعوجاج شکل موج سیگنال خروجی ممکن است به دلایل زیر رخ دهد:
تقویتکنندگی سیگنال، به دلیل سطح بایاس نادرست، در تمام دوره تناوب سیگنال ورودی انجام نشود.
سیگنال ورودی بسیار بزرگ باشد و سبب محدودیت ترانزیستور‌ها شود.
عمل تقویتکنندگی، برای محدوده فرکانسی گسترده ورودی‌های مختلف، خطی نباشد.
وجود هر یک از موارد بالا حین فرایند تقویتکنندگی به این معنی است که شکلی از اعوجاج اتفاق افتاده است.
تقویت‌کننده‌ها اساساْ برای تقویت سیگنال‌های ورودی با ولتاژ پایین به سیگنال‌های خروجی بزرگتر طراحی می‌شوند و این یعنی سیگنال خروجی به طور مداوم با ضریب یا مقداری به نام بهره تغییر می‌کند که برای تمام فرکانس‌های ورودی در سیگنال ضرب می‌شود.
مدار‌های ترانزیستوری امیترمشترک یا سورس مشترک، برای سیگنال‌های ورودی AC کوچک به خوبی عمل می‌کنند، اما با یک مشکل بزرگ مواجه هستند؛ نقطه کار محاسبه شده یک تقویت‌کننده دوقطبی، به مقدار بتا (β) بستگی دارد. هرچند، مقدار بتای ترانزیستور‌های مشابه، به دلیل تلورانس‌های فرایند ساخت و تولید، لزوماً با هم برابر نیست.
اعوجاج دامنه
«اعوجاج دامنه» (Amplitude Distortion) زمانی رخ می‌دهد که مقادیر پیک شکل موج به دلیل جابجایی نقطه کار تضعیف شوند و تقویت کنندگی در کل دوره تناوب سیگنال انجام نشود.
اعوجاج دامنه به دلیل بایاس نادرست
اگر مقدار بایاس ترانزیستور‌ها صحیح باشد، شکل موج خروجی، مشابه همان شکل موج ورودی است، با این تفاوت که بزرگتر می‌شود. اگر بایاس کافی نباشد و نقطه کار در نیمه پایینی خط بار باشد، شکل موج خروجی، مشابه شکل موج سمت راست تصویر بالا خواهد بود که پیک منفی آن قطع شده است.
همچنین، اگر ولتاژ بایاس خیلی کوچک باشد، ترانزیستور در بخش منفی دوره تناوب، هدایت نمی‌کند و بنابراین، مقدار خروجی روی ولتاژ تغذیه تنظیم خواهد شد. وقتی بایاس خیلی بزرگ باشد، بخش مثبت سیگنال، ترانزیستور را اشباع کرده و خروجی صفر می‌شود.
حتی اگر سطح ولتاژ بایاس به درستی تنظیم شود، باز هم ممکن است شکل موج خروجی اعوجاج پیدا کند. زیرا باید یک سیگنال ورودی بزرگ را با ضریب بهره مدار تقویت کنیم. همچنین ممکن است سیگنال ولتاژ خروجی در قسمت مثبت و منفی بریده شود و شبیه سیگنال سینوسی ورودی نباشد. این نوع اعوجاج دامنه، «بریدگی» (Clipping) نامیده می‌شود. وقتی دامنه ورودی بسیار بزرگ باشد، بریدگی قابل توجه خواهد بود و پیک‌های مثبت و منفی سیگنال خروجی قطع می‌شوند
اعوجاج دامنه ناشی از بریدگی
اعوجاج دامنه، شدیداً بازده تقویت‌کننده را کم می‌کند. این «قله‌های تخت» در شکل موج خروجی اعوجاج یافته (به دلیل بایاس نامناسب یا بزرگ بودن ورودی) سبب می‌شوند سیگنال خروجی در فرکانس مطلوب به خوبی تقویت نشود. هرچه مقدار بریدگی قله‌های سیگنال سینوسی بزرگتر باشد، اعوجاج تقویت‌کننده بیشتر خواهد بود و شکل موج خروجی به شکل موج مربعی نزدیک می‌شود. شکل موج مربعی در مدار‌های دیجیتال کاربرد دارد.
اعوجاج فرکانس
«اعوجاج فرکانس» (Frequency Distortion)، نوع دیگری از اعوجاج در تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری است که به دلیل تغییر سطح تقویتکنندگی در فرکانس اتفاق می‌افتد. بسیاری از سیگنال‌های ورودی که تقویت می‌شوند، از سیگنال شکل موج اصلی با «فرکانس پایه» (Fundamental Frequency) به علاوه فرکانس‌های دیگر به نام «هارمونیک» (Harmonics) که روی آن سوار شده‌اند، تشکیل می‌شود.
معمولاً دامنه این هارمونیک‌ها کسری از دامنه پایه است و به همین دلیل، تاثیر بسیار کمی روی شکل موج خروجی دارد. هرچند، اگر این دامنه هارمونیک‌ها نسبت به فرکانس پایه افزایش یابند، شکل موج خروجی ممکن اعوجاج پیدا می‌کند
اعوجاج فرکانس ناشی از هارمونیک
در مثال بالا، شکل موج ورودی، از یک فرکانس پایه به علاوه هارمونیک دوم تشکیل شده است. شکل موج اعوجاج یافته خروجی در سمت راست تصویر قابل مشاهده است. فرکانس هارمونیک‌ها چند برابر فرکانس پایه محسوب می‌شود. در مثال بالا، فرکانس هارمونیک دوم، ۲ برابر پایه است. اگر هارمونیک سوم وجود داشته باشد، فرکانس آن ۳ برابر پایه خواهد بود و به همین ترتیب فرکانس هارمونیک‌های بالاتر نیز بدست می‌آید.
اعوجاج فاز
«اعوجاج فاز» (Phase Distortion) یا «تاخیر فاز» (Phase Delay)، نوعی اعوجاج در تقویت‌کننده است و وقتی رخ می‌دهد که یک تاخیر زمانی بین سیگنال ورودی و خروجی وجود داشته باشد. اگر تغییر فاز فرکانس ورودی نسبت به خروجی را در فرکانس پایه صفر در نظر بگیریم، تاخیر زاویه فاز، اختلاف بین هارمونیک و سیگنال اصلی خواهد بود. این تاخیر زمانی به ساختار تقویت‌کننده بستگی دارد و با فرکانس پهنای باند تقویت‌کننده افزایش می‌یابد.
اعوجاج فاز ناشی از تاخیر
علاوه بر تقویت‌کننده‌های صوتی، اغلب تقویت‌کننده‌های کاربردی اعوجاج دارند که ترکیبی از «اعوجاج فرکانس»، «اعوجاج فاز» و «اعوجاج دامنه» است. در بسیاری از تقویت‌کننده‌های صوتی یا توان، اعوجاج، جز در مواردی که بیش از حد یا شدید است، تاثیری بر عملکرد یا خروجی صدای تقویت‌کننده نخواهد داشت.
منبع: برق نیوز
